本文選題：垂直腔面發(fā)射激光器　切入點(diǎn)：光混沌　出處：《西南大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：激光物理學(xué)中的混沌研究,特別是半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)中的光混沌,已經(jīng)取得了很好的成果,并正處在飛速發(fā)展階段。其中,光混沌不僅有望為混沌的基礎(chǔ)研究提供豐富的成果,而且還可以為動(dòng)力工程學(xué)中的應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。例如,各種各樣豐富的混沌動(dòng)力學(xué)行為已經(jīng)出現(xiàn)在半導(dǎo)體激光器中,包括傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器(edge-emitting semiconductor laser,EEL)和新型的垂直腔面發(fā)射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)。對(duì)于這些激光器來說,混沌動(dòng)力學(xué)甚至這些激光器的孤立振蕩有著非凡的意義,并且動(dòng)力學(xué)行為的控制在當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用中是非常重要的研究話題。至于光混沌的應(yīng)用方面,光混沌保密通信已經(jīng)取得了巨大的突破。基于半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)間的混沌同步,多種數(shù)據(jù)加密到混沌載波及其解密的方法已被應(yīng)用到了保密數(shù)據(jù)傳輸與通信中。此外,利用現(xiàn)有的公共光通信鏈接,許多混沌保密通信已經(jīng)成功通過了測(cè)試,并取得了相當(dāng)好的成果。相比于EEL,VCSEL吸引了許多研究者們的注意,這都?xì)w功于VCSEL可以提供EEL所無法比擬的優(yōu)異性能,如亞毫安級(jí)的閾值電流,低閾值電壓,高功率輸出,低損耗和高轉(zhuǎn)化效率等�，F(xiàn)如今,VCSEL的操作波長(zhǎng)范圍一般在670 nm到1550 nm之間。這些都使得VCSEL可以成為許多應(yīng)用中的潛在光波源,包括高速率光通信和光互連應(yīng)用等。為了滿足信息傳輸與通信速率的快速增長(zhǎng),基于光混沌的平行光波系統(tǒng)是目前迫切需求的,而這些都是離不開VCSEL的。因此,本文基于多個(gè)VCSELs產(chǎn)生的光混沌,提出了兩種通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并將信息與圖像分別應(yīng)用于光保密通信中,由此展開對(duì)光混沌應(yīng)用價(jià)值的相關(guān)研究。首先,本文基于兩個(gè)同步的VCSELs,提出了一個(gè)長(zhǎng)距離多通道雙向混沌保密通信系統(tǒng),該系統(tǒng)通過多條路徑連接。這兩個(gè)同步的響應(yīng)VCSELs(responding VCSELs,R-VCSELs)在受到來自主驅(qū)動(dòng)VCSEL(driving VCSEL,D-VCSEL)的相同混沌信號(hào)注入后,可以在各自的兩個(gè)線性偏振模式中輸出相似的用作混沌載波的光混沌信號(hào)。而D-VCSEL將同時(shí)受到光反饋和光注入的作用。通過數(shù)值仿真,兩個(gè)R-VCSELs之間可以獲得高質(zhì)量的混沌同步。并且,在采用混沌掩蓋(chaos masking,CM)技術(shù)后,通過調(diào)整不同的內(nèi)部參數(shù)失配,研究了不同質(zhì)量的混沌同步對(duì)單模光纖(single mode fiber,SMF)信道中通信性能的影響。結(jié)果表明,隨著兩個(gè)R-VCSELs間最大互相關(guān)系數(shù)的減小,解密信息的誤碼率(bit error rate,BER)將增大。當(dāng)系統(tǒng)引入色散補(bǔ)償光纖(dispersion compensating fiber,DCF)鏈接后,基于R-VCSELs之間的高質(zhì)量混沌同步,4n路速率為10 Gbit/s的信息可以在R-VCSELs間長(zhǎng)度為180 km的SMF信道中的n條路徑中同時(shí)雙向傳輸。通過以上徹底的測(cè)試和詳盡的分析,證明了基于VCSELs的長(zhǎng)距離、多通道、雙向混沌通信的可行性。其次,本文還利用多個(gè)VCSELs產(chǎn)生的光混沌提出了一個(gè)新型的對(duì)稱圖像加密及傳輸系統(tǒng)。在受到來自主VCSEL(master VCSEL,M-VCSEL)的相同信號(hào)注入后,兩個(gè)從屬VCSELs(slave VCSEL1和slave VCSEL2,即S-VCSEL1和S-VCSEL2)可輸出相似的光混沌信號(hào)作為混沌載波,用以傳輸圖像。同時(shí),S-VCSEL1的混沌信號(hào)還可用于生成加密模型中的密鑰空間。在采用三維貓映射和混沌邏輯斯諦映射后,不僅像素點(diǎn)的位置被打亂了,而且密文圖像和原始圖像之間的相關(guān)性也同時(shí)被破壞了。因此,該系統(tǒng)能夠抵御統(tǒng)計(jì)攻擊、微分攻擊以及蠻力攻擊之類的常見攻擊。通過數(shù)值仿真,兩個(gè)S-VCSELs之間可以獲得高質(zhì)量的混沌同步。當(dāng)采用CM技術(shù)后,由所提出加密模型加密后的圖像可以于SMF信道中從S-VCSEL1端傳輸?shù)絊-VCSEL2端,并得以成功解密,相應(yīng)的BER將小于6.18×10-19。最后,本文做了關(guān)于安全性分析的詳細(xì)測(cè)試,證明了所提出基于光混沌的圖像加密及傳輸系統(tǒng)的可行性與高保密性。就目前所知,在基于VCSELs的光混沌應(yīng)用中,關(guān)于信息傳輸系統(tǒng),尤其是圖像加密及傳輸系統(tǒng)的研究較少,因此本文具有非常特別的研究?jī)r(jià)值。相信本文不僅對(duì)密碼學(xué)領(lǐng)域的研究有所幫助,而且對(duì)非線性科學(xué)與技術(shù)也有一定的指導(dǎo)意義。
[Abstract]:Study on laser chaos in physics, especially in the light of chaotic semiconductor laser system, has achieved good results, and is at a stage of rapid development. Among them, the light is not only expected to provide abundant chaotic results based on chaos, but also can provide valuable reference for the application of power engineering. For example various kinds of chaotic behavior, the rich have appeared in semiconductor lasers, including conventional edge emitting lasers (edge-emitting semiconductor, laser, EEL) and a new type of vertical cavity surface emitting laser (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL). For these lasers, have extraordinary significance and even chaotic dynamics of these lasers isolated oscillation. Control and dynamic behavior in the current practical application is a very important research topic. As for the light of chaos Applications of chaos secure optical communication has made great breakthrough. The chaotic synchronization of semiconductor laser system based on a variety of data encryption and decryption method to chaotic carrier has been applied to the secure data transmission and communication. In addition, the use of existing public optical communication links, many chaotic communication has successfully passed the test, and achieved very good results. Compared with EEL, VCSEL has attracted many researchers' attention, this is due to the excellent performance of EEL VCSEL can provide unmatched, such as threshold electric sub milliamperes flow, low threshold voltage, high output power, low loss and high conversion efficiency. Now, the operation wavelength range of VCSEL in 670 nm to 1550 nm. All these make VCSEL can become a potential light source in many applications, including high-speed optical communications and optical interconnection in order to meet the requirements of application. The rapid growth of full information transmission and communication rate, parallel optical lightwave system based on chaos is an urgent demand, and these are all cannot do without VCSEL. Therefore, this paper based on a plurality of VCSELs light generated by chaos, puts forward two kinds of structure of communication system, and the information and images were used in optical secure communication thus, research on optical chaotic application value. Firstly, the two synchronization based on VCSELs, proposes a long distance multi channel bidirectional chaos communication system, the system by connecting multiple paths. The two synchronous response of VCSELs (responding VCSELs R-VCSELs) from the main drive in VCSEL (driving VCSEL D-VCSEL) the same chaotic signal injection, optical chaotic signal can be in two linear polarization modes in their output similar as chaotic carrier. D-VCSEL will also subject to optical feedback and optical The effect of injection. Through numerical simulation, the chaotic synchronization between two R-VCSELs of high quality can be obtained. And, in the chaos masking (chaos masking CM) technology, by adjusting the internal parameters of different mismatch on the different quality of chaotic synchronization on single-mode fiber (single mode fiber, SMF) affects the performance of communication in the channel. The results show that with the decrease of the maximum number of mutual relationship between two R-VCSELs, the bit error rate of the decryption information (bit error rate, BER) will increase. When the dispersion compensation fiber into the system (dispersion compensating fiber, DCF) link, high quality of chaotic synchronization between R-VCSELs based on the 4N road at a rate of 10 Gbit/s information can be R-VCSELs at the same time as the two-way transmission length between SMF channel 180 km n in the path. Through the above thorough testing and detailed analysis, proved that the long distance based on VCSELs multi channel, double To the feasibility of chaotic communication. Secondly, this paper also uses multiple VCSELs light generated by chaos has put forward a new symmetric image encryption and transmission system. In the subject from the main VCSEL (Master VCSEL M-VCSEL) the same signal injection, two VCSELs (slave VCSEL1 and slave dependent VCSEL2, S-VCSEL1 and S-VCSEL2) can output similar optical chaotic signal as the chaotic carrier, used to transmit images. At the same time, the S-VCSEL1 of the chaotic signal can also be used to generate the encryption key space model. In the three-dimensional chaotic cat map and the logistic map, not only the position of pixels was disrupted, and the correlation between the original image and encrypted image at the same time be destroyed. Therefore, the system can resist statistical attack, differential attack and common attacks such as brute force attack. Through numerical simulation, two S-VCSELs of high quality can be obtained Chaos synchronization. When using CM technology, the proposed image encryption model can be encrypted in SMF channel from S-VCSEL1 port to the S-VCSEL2 side, and the success of the decryption, the corresponding BER will be less than 6.18 * 10-19.. At last, this paper makes a detailed analysis on the test safety, feasibility is proved by the image encryption and the transmission system of optical chaos and high security. Based on the current state of knowledge, based on the application of VCSELs in optical chaos, on information transmission system, especially the study of image encryption and transmission system is less, so this paper has very special research value. The thesis not only studies on the field of cryptography and help. Have a certain guiding significance for nonlinear science and technology.

【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN248

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本文編號(hào)：1562803